解析LED照明設計知識

1、LED器件光效ηL，單位lm/w

LED器件光效是指在規定的結溫(例如Tj=25℃)時，每瓦電功率轉換成輸出(可見光)輻射光能兩者的比。可用下式表示LED光效： ηLED=Φ/w，單位：lm/w

必要條件是Tj為規定值，在同樣功率下，不同的Tj溫度，LED輸出的光通量Φ是不同的，隨溫度升高，Φ會下降。美國能源部西太平洋西北國家實驗室給出白光功率LED PN結上溫度Tj每升高1℃輸出光通量下降0.25%。(以Tj=25℃時，Φ=100lm計，當Tj=80℃時，Φ=(1-13.75%)×100=86.25lm，下降約13.75%，可見大功率白光LED的光通溫度系數：?Φ/?Tj≈-0.25(lm/℃))

一般LED生產企業給出的器件光通量大多是Tj=25℃時的數值。給出的光效也同樣如此。實際使用時，Tj一般不等于25℃。

2、LED燈具的光效ηTub1(lm/w)

LED燈具是指用LED作光源的照明燈具。任何燈具一般包含：光源(燈泡或模組);鎮流器或驅動電源模組;光管配光透鏡(或反射腔等);散熱裝置或燈外殼等四個部分組成，對于LED燈具，這四個部分除光源外均對燈具的光效有貢獻，且都是負貢獻!下面分別加以說明：

(1)LED器件和光源模組光效ηLED

ηLED一般以LED器件廠給出的光效為準，例如一個LED的光效在Tj=25℃時，假設為100lm/w，則若用100個這樣的LED器件組成的光源模塊的光通量根據光的疊加律可得為100lm/w×100=10000lm，但光效仍為100lm/w;但它并不等于燈具的光效。

(這里假設100個100lm/w的光源加上100w電功率，它發出的總光通量應為10000lm)。

(2)電源效率對燈具光效的影響(貢獻)

當供給LED光源模塊上的電功率為100w時，由于驅動LED的開關電源或是AC/DC電流源等，自身要消耗電功率，也就是輸入電功率較用于LED光源模塊的電功率要高。它們兩者的比值稱為電源效率。假設此效率ηE=85%，則燈具輸入電功率為：

Pin=PLED/0.85=117.65w

將此時的光效計入驅動電源轉換效率時，光效從100lm/w下降為10000lm/117.65w≈85lm/w。下降：15%，這下降是電源驅動電路作的負貢獻。

(3)二次配光光學效率ηLight 的影響

一般的照明燈具，特別是LED這類窄光束光源，需要二次光學設計，以達到所需求的光分配的配光要求。例如LED射燈要求截光型蝙蝠翼型配光，通常在每個LED上加置橢圓形透鏡，這樣就會帶來因透鏡損失光能，于是就有一燈具的光學效率ηLight的問題，通常光學級透鏡的透光率不超過0.9，即ηLight≈0.9.

也就是說一個不加透鏡的10000lm的光源，加透鏡后就成為輸出9000lm的光源，損失約10%的光能，此時，光源電源、二次光學透鏡二個組成部分的光效為η(3)=0.85×0.9=0.765

也就是說100lm/w的光源，現在僅為76.5lm/w。二者負貢獻達：23.5%。

(4)熱效率ηth

不僅電源效率，光學透鏡效率的負貢獻，LED燈具還有對LED光源不可或缺的熱管理的效率，也就是散熱器效率，通常LED燈具將PCB板、燈殼均用來作散熱通道，實現熱失散，對燈具有一系統熱阻的設計問題。也就是好的散熱系統，LED PN結上溫度Tj與燈具環境溫度Ta之間的溫度梯度越小越好。燈具的系統熱阻定義為：燈具外殼(或內部)平均溫度與環境溫度差與燈具功率之比。可表示為：Rthsystem=(Tscase-Ta)/Pin (單位：℃/w)

假設LED的熱阻為8℃/w，則一個LED上加1w電功率后，LED PN結上的溫度Tj與LED底座散熱底板之間溫差為8℃，而LED基板與PCB(一般是鋁PCB板)間熱阻一般小于1.2℃/w，則Tj與PCB板之間溫差為8℃+1.2℃=9.2℃，若燈光也為散熱材料壓鑄(如鋁合金)，則鋁合金的熱阻一般僅0.2℃/w，為此燈殼到LED PN結的溫差約為：(8+1.2+0.2)℃=9.4℃

現在的問題是燈殼Tscase與燈周邊環境溫度Ta的溫度差多少度?這就由燈具的系統熱阻決定。假定用于熱失散的燈殼接觸環境空間的面積為A，此面積的大小決定兩者的溫差，僅當A→∞時，燈殼面積與環境等溫，但這是做不到的。韓國三星LED電子等公司，對他們的不同功率的LED器件，作光源時，給出散熱器面積與Tj的關系曲線，例如對一個3.5w功率的LED，要使Tj從100℃下降到80℃，散熱器與空氣接觸面積要增加60cm2以上，由此可估算得，每增加60cm2/3.5w≈17cm2/w，就是說一個1w電功率的LED若用60cm2以上散熱器時其結溫將下降20℃。或者用燈具系統熱阻Rthsystem來表示時，本例117.65w總功率按每w17.2cm2計，燈具散熱器與空氣接觸面的面積大于等于17.2cm2/w×117.65w=2024cm2(約0.2m2)時，燈殼與環境溫差20℃。燈具系統熱阻Rthsystem即為：Rthsystem≈20℃/117.65w≈0.17℃/w 于是在對燈具施加電功率為117.65w時，在Ta=25℃時，燈殼上的溫度應為： Tcase=Ta+Rthsystem×Pin

=25℃+0.17℃/w×117.65w

=45℃

此時，從前面分析知LED PN結上溫度Tj可從下式求得： Tj=Tcase+1w×(8℃/w+1.2℃/w+0.2℃/w)

=45℃+9.4℃=54.4℃

與Tj=25℃相比，PN結溫度高了19.4℃，也就是一個100lm的LED此時光通量

較Tj=25℃時的光通量要低：

0.25lm/℃×19.4℃=4.85lm

100個LED的光源模組比Tj=25℃低485lm

由此也可求出燈具的熱效率ηth ηth=[1-485/10000]=95.15%≈0.95

于是燈具的光效計入各個效率后，可表為： ηTub1=ηE·ηLight·ηth=0.85×0.9×0.95

≈0.726

此時燈具的光效為：72.6lm/w。僅為LED的光效的72.6%，而且也要設計正確才達到。